【用户访谈】基础研究的乐趣是满足好奇心

1945年，物理学家Zavoisky首次提出了检测电子顺磁共振信号的实验方法，经过70多年的发展，电子顺磁共振（EPR）技术已经在物理学、化学、生物与医学等许多领域获得了越来越广泛的应用。我国的电子顺磁共振研究起步较早，卢嘉锡、裘祖文、徐元植等教授为该领域在我国的发展付出了巨大的努力。浙江大学徐元植教授从1960年开始从事电子顺磁共振波谱学研究，是我国在该领域研究的开拓者之一。为促进我国电子顺磁共振学科的发展，徐先生在浙江大学教育基金会设立顺磁共振发展专项奖励基金。

华南理工大学自旋科技研究院的蒋尚达教授在使用电子顺磁共振技术研究磁性分子量子相干性方面做出了创新性的贡献，荣获2021年度“徐元植顺磁共振波谱学优秀青年奖”。近期，蒋尚达教授接受了仪器信息网的采访，分享了他的科研经历与科研成果，以及他利用电子顺磁共振仪器开展的一系列工作。

蒋尚达在博士阶段主要从事单分子磁体合成方面的研究，但苦于缺乏先进的表征手段去研究磁性分子的电子结构，因此博士毕业后他并没有继续博士阶段更为熟悉的研究，而是选择门槛较高、难度更大的电子顺磁共振技术作为博士后的主要研究内容。

蒋尚达就这样进入了顺磁共振研究的研究领域。蒋老师起初并不熟悉顺磁共振的相关知识，花费大量时间阅读基础书籍、查找原始文献，巩固基础知识，后来深入了解搭建EPR谱仪的基本原理和技术方案，再到使用商用顺磁共振仪器开展科学研究。从频域到场域再到时域顺磁共振，从“EPR小白”到“优秀青年专家”，顺磁共振的相关技术，蒋尚达都能够娓娓道来。而正是在理论知识足够扎实的基础上，才有了后面相对“平坦”的科研之路。

但当他已经清晰掌握系综电子顺磁共振波的相关技术和研究范式之后，蒋尚达再次选择退出“舒适圈”，继续去探索新的研究方向：光探测单分子顺磁共振。蒋尚达提到，现在这个研究方向是基于几年的调研工作，经历了选定-推翻-再选定这样不断反复的过程最终选择出来的，创新的科研工作不会是凭空想出来的，是需要通过大量阅读文献、长期积累的过程。这无疑是一条艰难的道路，但对蒋尚达来说却是极具吸引力并充满乐趣的。

当被问到自己引以为豪的科研成果时，蒋尚达戏称自己的文章少的可怜，但提到每篇文章都是自豪的语气。他分享了发表在npj Quantum Information上的工作，他和课题组成员使用脉冲激光将富勒烯分子激发至三线态，并在该三线态上制备了三能级叠加态，进而观测到新奇的量子相位干涉现象。蒋尚达说，这篇工作具有比较强的代表性，因为这是他们课题组在多能级磁性分子中观测到新奇物理现象的第一篇工作。与传统的量子比特不同，磁性分子往往具有更多的可调控能级，因此一个磁性分子的希尔伯特态空间也就更大，具有更多的量子相位，物理内涵也就更加丰富，量子拓展性更强，但其缺点是量子相干性较差。蒋尚达的研究团队提出化学分子的笼状结构保护方案可以很好的延长磁性分子的量子相干时间，比较典型的分子就是内嵌富勒烯。例如蒋尚达研究团队报道的Gd2@C79N分子的自旋基态为S=15/2，其相干时间可达5微秒，是可以观测到量子相干行为的最高自旋分子。此外，蒋尚达团队还搭建了五族元素内嵌富勒烯分子的合成和纯化装置，他们制备的N@C60分子浓度可达5000 ppm，相干时间在液氮温度下则有上百微秒，是目前报道的最长相干性的高自旋分子（S=3/2）。基于这类高自旋分子的较长量子相干时间，蒋尚达团队还发现了电子能级中的几何量子相位，并实现了具有纠错功能的量子算法演示。

蒋尚达的研究成果可以用“少而精”来概括。今年3月，他参加国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金的结题答辩，专家对蒋尚达的研究工作评价很高，认为他的研究更加深入、透彻和系统。蒋尚达在该项课题中仅有9篇文章，但他提出的笼状结构保护磁性分子量子相干性的学术思想，以及高自旋分子拓展量子态空间的研究思路极具创新性。经过评审专家的考评，蒋尚达的优秀青年基金项目结题被评为优秀。

蒋尚达说：“做基础研究的最大乐趣就是满足求知欲和好奇心。”把每一个课题都研究透彻，进行更深层次的挖掘，确保每一篇文章的产出都能够清晰地说明一个问题，而非单纯的追求发文速度与数量。当被问及科学研究的初心时，蒋尚达说：“我做科研的初心是为了填补科学认知的空白。”

但是对于蒋尚达而言，课题组研究则会更多的关注涉及商业产品之外一些其他的应用，例如外部脉冲电场的使用、复杂任意波形的应用、多频率、高带宽谐振腔的设计等等。蒋尚达提到，自己的团队对于仪器内部的功能已经非常的熟悉，当需要对仪器功能进行进一步开发时，常常会与布鲁克国内外的技术人员沟通，布鲁克的工作人员响应非常积极，在联系过程中双方建立了深厚的友谊。在交流过程中，布鲁克工作人员会深度详细地介绍仪器的拓展性，蒋尚达团队则基于这些介绍，对其进行新功能的开发。

蒋尚达之前在北京大学工作时使用的是布鲁克E580电子顺磁共振波谱仪，现在来到了华南理工大学自旋科技研究院，又采购了一台E580，由于疫情原因暂未安装，对于课题组来说，电子顺磁工作波谱仪就是实验室里的“生命线”。

“应该说，我们课题组是E580的重度使用客户”，蒋尚达在采访中这样说道。

布鲁克的顺磁共振谱仪开发也有二十余年了，特别是脉冲式顺磁共振波谱仪，国内外的用户很多，这是比较成熟的商业化产品，设置的应用场景能够满足99%以上的用户对于仪器的使用。以E580为例，一个主要功能是进行电子-电子双共振实验，E580对于该类测试已经做的比较成熟了。

电子顺磁共振技术在化学、材料、生命科学中的应用十分广泛：在无机化学反应领域，电子顺磁共振可以很好的研究研究产物微观电子态，南京大学王新平教授、大连化物所叶生发教授、国科大的李剑锋教授在该领域都有很好的研究成果；在有机化学领域，顺磁共振技术可以研究自由基的机理，武汉大学雷爱文教授在该方向有很好的成果；在材料科学中的应用，华东师范大学胡炳文教授开辟了很重要的方向，探究锂电池里氧化还原反应的机理；在生物领域，通常使用脉冲式电子顺磁共振研究生物大分子的构象，清华大学的方显杨教授做出了重要的研究；蒋尚达教授的研究方向也是基于脉冲电子顺磁共振技术的重要应用，即研究磁性分子作为电子自旋载体在量子信息科技中的应用。

关于电子顺磁共振技术的未来发展，蒋尚达认为自旋微观态在化学反应和催化中的作用有较大的发展潜力，这涉及到原位电子顺磁共振波谱与超快光谱等的联用。

蒋尚达认为，电子顺磁共振技术具有不可替代性和技术门槛较高的特点，尽管很多人需要该技术，但能够熟练使用该技术的科学工作者较少。华南理工大学自旋科技研究院就是一个具有交叉学科背景的新型科研创新平台，成立于2021年。研究院以磁性分子为主要研究对象，探索自旋相关的化学反应和物理效应，突破单分子自旋操控和读出技术，发展自旋相关量子材料和器件，开发相关分子诊疗技术与药物。研究院涵盖自旋化学、自旋操控、自旋材料与器材、自旋生物医学等多个研究方向，旨在解决自旋国际科学前沿的重大科学问题，研发自旋关键技术，建设国际自旋创新交流平台。

蒋尚达要求学生在选择的研究领域中理解应当力求深刻，只有在自己的小方向上的认知超过了导师才算一名合格的研究生。对待每一个学生，课题团队都会对学生进行非常详细地仪器培训，要求学生们在较高的科学素养基础上，了解研究的目的，清楚实验设置的含义，预设有可能出现的问题以及对应的解决方案。

蒋尚达分析道：对待在研究上没有锐气的学生，应当给予鼓励和帮助，和他共同解决困难，找到新的方向；对待相对浮躁的学生，则应要求他做充分的文献调研，将不断涌出的新想法成熟化。

蒋尚达说：学生应当打好基础，切忌盲目追求热点，务必要把研究做得更有深度！